孫小兵，姚陽明，彭安校，何自知，梁圣釗，陳積樂

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，廣西 南寧 530029）

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，我國整體的工業(yè)水平得到了極大的提升。工業(yè)管道作為工業(yè)原料的輸送設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)管道一般輸送的介質(zhì)大多為原油、甲醛、酒精等高危或易燃化學(xué)品。通常情況下，工業(yè)管道的生產(chǎn)工藝大多采用焊接的方式進(jìn)行加工生產(chǎn)，因此管道的裂紋大多也出現(xiàn)在焊縫處[1]。工業(yè)管道的焊接質(zhì)量，是驗證管道是否安全、有效運行的關(guān)鍵因素[2]。由于焊接安裝過程中，因焊接人員的操作不當(dāng)，導(dǎo)致管道內(nèi)部會產(chǎn)生各種各樣的缺陷（如未焊透、氣孔、裂紋等嚴(yán)重缺陷），同時管道在實際工作過程中受高溫、高壓、腐蝕的環(huán)境，承受疲勞、沖擊等工況條件，往往會導(dǎo)致管道使用性能的惡化，產(chǎn)生應(yīng)力集中以及開裂。當(dāng)管道出現(xiàn)裂紋時，輸送的化學(xué)介質(zhì)將會通過裂紋泄漏出來，輕則導(dǎo)致財產(chǎn)損失，重則導(dǎo)致人員傷亡及環(huán)境污染。因此對工業(yè)管道的焊接接頭進(jìn)行無損檢測是確保工其安全運行的重要保證[3]。

對于管道環(huán)焊縫中的焊接缺陷，一般采用無損檢測技術(shù)進(jìn)行檢測[4]，尤其是相控陣超聲檢測技術(shù)。但在實際檢測過程中對設(shè)備缺陷的檢測精度不高，其主要原因在于多數(shù)檢測采用人工手推相控陣超聲檢測儀對管道焊縫缺陷進(jìn)行檢測，無法確保檢測探頭與焊縫間的相對距離以及無法實現(xiàn)掃查架勻速掃查焊縫。同時，管道焊縫的構(gòu)成主要有縱向焊縫及管道環(huán)向焊縫檢測。長期采用手推的方式進(jìn)行檢測，操作人員會產(chǎn)生疲勞，最終因檢測誤差的產(chǎn)生而無法保證工業(yè)罐體的使用安全。

因此，本文從解決上述問題的角度出發(fā)，設(shè)計一種相控陣超聲焊縫檢測三槽軌道車。該設(shè)備在使用過程中，將軌道吸附于罐體外壁，隨后將電動牽引小車放置于軌道上，小車的輪轂驅(qū)動輪與軌道外槽配合，小車上下兩排導(dǎo)向限位輪與軌道上下槽配合，通過調(diào)整探頭與罐體焊縫間的間隙，獲得最優(yōu)檢測距離，小車運行速度可以適時調(diào)整，以得到最為合適的檢測速度。這種相控陣超聲焊縫檢測三槽軌道車對提高檢測精度以及降低檢測人員的勞動強(qiáng)度具有重要的現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)有掃查架的不足

目前國內(nèi)無損檢測單位所使用的相控陣掃查架基本都為手動式掃查架，而且掃查架大多采用T型結(jié)構(gòu)（圖1）。不同的相控陣超聲檢測儀生產(chǎn)廠家所設(shè)計的掃查架也有所區(qū)別。經(jīng)過現(xiàn)場使用調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有掃查架存在以下幾個缺點。

圖1 T型掃查架

（1）掃查架全部為人工手推，缺乏現(xiàn)場經(jīng)驗的檢驗人員往往因手推誤差較大而無法將被檢工件的缺陷檢出[5]；

（2）手推式掃查架因無固定掃查路徑，因此在檢測前根據(jù)工件厚度，劃定引導(dǎo)線從而避免掃偏，使檢測過程變得繁瑣；

（3）手推式掃查架所采用的材料大多為鋁合金材質(zhì)，客觀上可以降低重量，但長時間的手工作業(yè)，也會導(dǎo)致檢驗人員出現(xiàn)疲勞，從而引起疲勞誤差。

2 工作原理

針對現(xiàn)有掃查架的不足，提出設(shè)計一種自動掃查小車，該車依托鋰電池為輪轂電機(jī)提供能源，使限位輪及輪轂電機(jī)在三槽軌道上可以實現(xiàn)直線以及曲線掃查，同時探頭及編碼器后設(shè)有壓緊限位彈簧，以確保探頭與編碼器時刻與被檢部件表面接觸，其具體工作原理如下。

相控陣超聲焊縫檢測三槽軌道車在工作過程中，需要實現(xiàn)電動牽引小車能沿著罐體焊縫路線行走，因此需要將軌道與磁鐵板連接，并由磁鐵板吸附于罐體外壁并與罐體焊縫平行，同時考慮到導(dǎo)軌便于攜帶，將軌道分為若干節(jié)，使用過程中相鄰兩節(jié)軌道利用卡銷進(jìn)行連接。為了實現(xiàn)檢測的目的，在軌道上設(shè)置一電動牽引小車，在電動牽引小車上安裝電池架，通過輪轂電機(jī)為牽引小車提供驅(qū)動力，在驅(qū)動力的作用下，電動牽引小車的上下導(dǎo)向限位輪開始沿著軌道上下槽前進(jìn)。在牽引小車沿軌道行進(jìn)過程中，電動牽引小車驅(qū)動輪處在軌道側(cè)面，小車整體在受到重力作用下，驅(qū)動輪無法與軌道側(cè)面槽嚙合（即脫軌），導(dǎo)致小車無法沿軌道前行。為了防止驅(qū)動輪脫軌，輪轂電機(jī)通過鉸鏈機(jī)構(gòu)以及壓緊彈簧機(jī)構(gòu)固定于車架上，鉸鏈的存在可以使輪轂電機(jī)自由運動，而壓緊彈簧的作用在于保持驅(qū)動輪與軌道時刻嚙合，因此輪轂電機(jī)通過鉸鏈機(jī)構(gòu)以及壓緊彈簧機(jī)構(gòu)可以保證驅(qū)動輪不發(fā)生脫軌。為了進(jìn)一步確保牽引小車在運動過程中不發(fā)生擺動，在車架上加設(shè)可調(diào)節(jié)式上下導(dǎo)向限位輪，通過調(diào)整小車導(dǎo)向限位輪的輪距，使小車整體能卡于軌道上并能自由滑動，同時為了能改變檢測探頭與焊縫之間的相對距離，將探頭設(shè)置于探頭架上，該探頭架可實現(xiàn)上下及前后調(diào)整，相控陣超聲焊縫檢測三槽軌道車的模型如圖2所示。

圖2 相控陣超聲焊縫檢測三槽軌道車模型

3 主要工作部件設(shè)計

相控陣超聲焊縫檢測三槽軌道車的主要結(jié)構(gòu)包括三槽軌道、磁鐵吸附板、電動牽引小車及控制系統(tǒng)組成，其中電動牽引小車由車架、上下導(dǎo)向限位輪、輪轂電機(jī)、壓緊彈簧、連桿、電池架及可調(diào)式探頭架組成。電動牽引小車通過可調(diào)式上下導(dǎo)向限位輪與軌道槽配合實現(xiàn)小車與軌道的連接，同時由位于車體中部的輪轂電機(jī)為小車提供驅(qū)動力，最終由上述三種槽輪實現(xiàn)小車在軌道上沿焊縫方向穩(wěn)定運動，如圖3所示。

圖3 相控陣超聲焊縫檢測三槽軌道車主要部件

同時三槽軌道主要由上軌道槽、下軌道槽、軌道本體、卡銷及磁鐵吸附板組成。上軌道槽、下軌道導(dǎo)向限位輪在弧形滑動導(dǎo)軌內(nèi)沿軌道槽滾動，以確保在運動過程中不發(fā)生擺動，使小車更平穩(wěn)可靠?；⌒诬壍辣倔w由多節(jié)橫截面呈長方形的軌道體相互連接而成，每節(jié)軌道體的一端向外伸出有卡銷。每節(jié)軌道體的另一端內(nèi)部設(shè)置有沿弧線中心延伸的插接腔體，相鄰之間的導(dǎo)軌通過卡銷和插接腔體連接。通過增減弧形軌道本體滿足多種管徑以及裂縫長度的檢測范圍。弧形滑動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 三槽軌道

電控系統(tǒng)主要包括鋰電池、編碼器、輪轂電機(jī)、控制器等，其中鋰電池供電盒水平設(shè)置于車架的下端后側(cè)壁上，鋰電池供電盒通過滑動卡接或螺栓固定在車架的下端后側(cè)壁上，在鋰電池供電盒內(nèi)設(shè)置有控制器，超聲相控陣檢測探頭與超聲相控陣發(fā)生器進(jìn)行電氣連接，超聲相控陣發(fā)生器的電源端、編碼器的電源端、輪轂電機(jī)的電源端、超聲相控陣檢測探頭的電源端和控制器的電源端分別與鋰電池供電盒電氣連接，控制器的控制端分別與輪轂電機(jī)、超聲相控陣發(fā)生器、編碼器和超聲相控陣檢測探頭進(jìn)行，其電控系統(tǒng)邏輯順序如圖5所示。

圖5 電控系統(tǒng)邏輯順序

4 裝置特點

經(jīng)實際應(yīng)用，所設(shè)計的裝置具有如下特點：

（1）采用多節(jié)軌道組裝作為相控陣檢測車的導(dǎo)向部件，便于攜帶以及現(xiàn)場安裝。

（2）采用軌道作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可以確保檢測小車在縱縫行走的直線度，同時還可以確保檢測車能順利的對管體的周向焊縫進(jìn)行檢測。

（3）采用小型輪轂電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，可以極大地減小整機(jī)尺寸，便于在空間狹小的位置使用。

（4）在編碼器以及檢測探頭后添加調(diào)節(jié)壓緊彈簧，可確保編碼器與探頭能時刻緊貼工件表面，使檢測能順利開展。

（5）整體為電力驅(qū)動，可以實現(xiàn)自動掃查，極大地降低了現(xiàn)場檢測人員工作強(qiáng)度，同時在軌道的限位作用下，可以有效地避免掃偏現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)而提高了檢測精度。

5 結(jié)語

隨著超聲相控陣檢測技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也將愈發(fā)廣泛，同時因超聲相控陣檢測在檢測過程中不產(chǎn)生有害輻射，使其正逐步取代射線檢測技術(shù)的地位，成為工業(yè)檢測領(lǐng)域上不可缺少的新技術(shù)[6，7]。伴隨著超聲相控陣檢測技術(shù)的進(jìn)一步推廣，與超聲相控陣檢測儀配套使用的掃查架成為了控陣檢測技術(shù)進(jìn)一步推廣的重要障礙之一[8]。

由于各超聲相控陣檢測儀生產(chǎn)廠家不同，導(dǎo)致了其掃查架無法形成統(tǒng)一性標(biāo)準(zhǔn)，即掃查架的通用性差，同時廠家所生產(chǎn)的掃查架都為手推式，在實驗室環(huán)境下采用手推式操作效果較好，但是在實際工業(yè)檢測現(xiàn)場中，檢驗現(xiàn)場較為復(fù)雜，尤其是管道底部的檢測，往往因人員無法看到底部引導(dǎo)線，從而導(dǎo)致了檢驗效率低、掃查偏差大、檢測精度差，同時在檢測過程中，檢測人員需要鉆入管道底部并且時刻雙手推動掃查架，長時間的檢測會引起操作人員的疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致檢測誤差增大。因此，研制自動掃查架是十分迫切。

本設(shè)計的主要研特點有：

（1）采用三槽軌道作為導(dǎo)向限位機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了小車可以沿固定方向進(jìn)行掃查；

（2）軌道分為多節(jié)組裝，每兩節(jié)之間采用卡銷進(jìn)行連接，實現(xiàn)了便攜以及快速組裝的目的；

（3）采用小型輪轂電機(jī)作為驅(qū)動裝置，極大地減小了樣機(jī)的尺寸，便于現(xiàn)場檢驗；

（4）探頭及編碼器上搭設(shè)調(diào)節(jié)及壓緊結(jié)構(gòu)，使小車在掃查過程中，探頭與編碼器能時刻緊靠管壁。

本設(shè)計的推廣與應(yīng)用，為超聲相控陣檢測技術(shù)的發(fā)展提供一種自動掃查裝置，客觀上推動了超聲相控陣檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。